近日，美国哈佛大学团队宣称研发出“超材料镜片”(metamateriallens)，厚度是传统玻璃镜片的十万分之一，几乎没有重量。要是能够广泛运用，未来的智能机、相机都会变得超级轻薄。未来的智能机镜头不只可能不再突出于机身之外，还会小到看不到。
传统玻璃镜片为弧形，借此把光线聚焦到相机感光元件上，镜头越贵、影像越好。由于制作过程需要精准研磨、抛光，不能有丝毫误差，价格居高不下。相机内部塞满厚厚镜片，因此也让高档相机极为笨重，沉重不堪。
哈佛研发出的超材料镜片不使用玻璃，改在透明石英上放满柱状的氧化钛，高度仅有600奈米，被称为全球“最迷你的巨石阵”。这些氧化钛以特殊方式排列，虽然是平面，却能像弧形的玻璃镜片一样聚焦光线，而且比头发更细、跟空气一样轻。哈佛团队测试发现，超材料镜片的影像比55毫米的显微镜更锐利，厚度却只有传统镜片的十万分之一。
不仅如此，哈佛新镜片的制造成本将相当低廉，只使用二氧化钛。氧化钛并非罕见原料，其实就是画画用的白漆，而且这种镜片能像晶圆一样大量生产。哈佛应用物理暨电机教授FedericoCapasso表示，此一技术是潜在的革命性创举，适用于所有可见光，能取代各种镜片，如显微镜、相机、显示器、智能机等。超材料镜片成本只要传统镜片的一小部分，未来有望大规模生产，以生产晶圆的方式量产。
这也表示，技术成熟之后，数位单眼相机(DSLR)镜头将可塞入智能机里，智能机照片功能将更为出色
超材料的工作原理：纳米材料与光子的游戏
超材料（metamaterial）一直是光子晶体研究里面最尖端的项目之一，而说起超材料，可能最容易想到的是两张图，一张就是排列的异常美观规整的纳米结构，而另一张则是超材料里的一张著名的假想图——向“错误”的地方弯曲的筷子，即负折射率材料。
高度规整的纳米结构
以上这些虽然看起来酷炫无比，但是貌似我们还无法看出超材料能搞出什么“超”应用来，一篇刚刚在《科学》杂志发表的论文向大家证明了，超应用离开我们已经只有一步之遥。
一个来自哈佛大学的研究团队最近利用高度约为600纳米的二氧化钛“纳米砖”块堆出了一块完全平面，并且纤薄如纸的聚光镜片。这块超材料镜片的有效放大倍数高达170倍，并且放大后的图像分辨率能完全媲美常规的玻璃透镜。
约600纳米高的二氧化钛纳米砖块
放大一些来看的话，这些砖块的排列方向并不相同。
超材料的本质就在于这些尺寸小于光的波长的纳米结构，这些结构可以借由不同的形状、大小、排列和光子愉快得玩耍，把它们或阻断、或吸收、或增强、或折射。这一次，科学家们就通过这些纳米砖头的不同排列，成功将通过的光“聚焦”。
普通玻璃聚光镜示意图
二氧化钛是可距光波优秀的超材料
既然前景这么美好，那么为什么超材料到现在还没有广泛应用于光学镜片领域呢？主要原因也是超材料镜片和玻璃镜片最大的区别就是，超材料非常挑光的“波长”，换句话说红光比较好使的镜片就无法将绿光聚焦；反之亦然，同时要找到可用于我们肉眼能看见的可见光范围的材料其实也费了一番周折，最终选定了二氧化钛。早期的超材料主要都是硅基的表面等离子材料，因此超材料镜片可能目前只能适用于使用激光这样波长单一的电磁波的仪器中。如果有一天，复合波长这个难题被攻克，我们的所有光学仪器都将发生颠覆性的改变，让我们拭目以待吧！
下一个难题就是同时聚焦多波长的光。
一旦成功，光学镜片的尺寸将会大幅减小，成本将大幅下降，我们对目前大多数光学设备的认知也会发生颠覆性的改变。
